SE522735C2 - Aluminiumoxidbelagt skärverktyg - Google Patents

Description

W Ü 20 25 30 35 5222735 Som nämnts ovan har alla Al2O3-skikt framställda med CVD-tek- nik en mer eller mindre kolumnärlik kornstruktur. Ett Al2O3-skikt med en likaxlig kornstruktur förväntas emellertid visa några för- delaktiga mekaniska egenskaper, t ex motstånd mot sprickfortplant- ning och högre skäreggsseghet än ett skikt med en kolumnär korn- struktur. Dessutom har finkorniga skikt vanligen slätare ytor än grovkorniga skikt. Under bearbetning kommer mindre arbets- styckematerial att fästa ovanpå en jämn beläggningsyta vilket i sin tur innebär lägre skärkrafter och mindre tendens för belägg- ningen att flaga. Numera är belagda skär ofta borstade med SiC-ba- serade borstar eller blästrade med finkorniga Al2O3-pulver för att erhålla en jämn beläggningsyta, ett ganska kostsamt produktions- steg.

En välkänd och möjlig teknik att producera en finkornig struktur och att hålla tillbaka en kolumnär korntillväxt är att utfälla en så kallad multiskiktstruktur vari den kolumnära till- växten av t ex Al2O3 avbryts periodiskt genom tillväxt av ett 0,05-1 pm tjockt skikt av ett annat material som beskrivs i US 4,984,940 och US 5,700,569. ha en annan kristallstruktur eller åtminstone andra gitteravstånd Det senare skiktet skall företrädesvis för att kunna påbörja nykärnbildning av det ursprungliga skiktet.

Ett exempel på en sådan teknik är när Al2O3-tillväxten periodiskt avbryts av en kort TiN-beläggningsprocess vilket resulterar i en (Al2O3+TiN)xn multiskiktstruktur med en tjocklek av varje indivi- duellt TiN-skikt i området 0,1-l pm t ex se Proceedings of the l2:th European CVD Conference sida pr.8-349. Men sådana multi- skiktstrukturer lider mycket ofta av dålig vidhäftning mellan de två olika slagen av skikt.

I svenska patentansökan SE 0004272-1 visas en metod för er- hållande av ett finkornigt a-Al2O3-skikt huvudsakligen bestående av likaxliga korn med en kornstorlek <1 pm. Kornförfiningen genomförs genom periodiska avbrott av Al2O3-processen och behandling av Al2O3-ytan med en blandning av TiCl4/H2. När Al2O3- processen omstartas sker nykärnbildning av a-Al2O3.

Det är inte möjligt att använda denna metod för att producera finkornig K-Al2O3 eftersom endast a-Al2O3-fas kommer att kärnbil- das pà den TiCl4/H2 behandlade Al2O3-ytan.

K-Al2O3- och a-Al2O3-beläggningar som verktygsmaterial har något olika förslitningsegenskaper vid bearbetning av olika mate- 10 15 20 25 30 35 5223735 rial. Det är därför även önskvärt att ha sätt att producera fin- kornig K-Al2O3 med en kontrollerbar kornstruktur.

Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att förse ovanpå ett hårt substrat, eller företrädesvis ovanpå ett hårt substrat belagt med ett TiCXNyOZ och/eller ZrCXNyOz-skikt (x+y+z=l och x,y,z¿O), åtminstone ett finkornigt, enfasigt K-Al2O3-skikt med en mikrostruktur som är olik den för tidigare kända kolumnära K-Al2O3 CVD-skikt nämnd ovan.

Det är även ett syfte med föreliggande uppfinning att före- lägga en högpresterande verktygsbeläggning omfattande det uppfunna Al2O3-skiktet.

Det är ett ytterligare syfte med uppfinningen att förelägga ett aluminiumoxidbelagt skär med förbättrade skärprestanda i stål och nodulärt gjutjärn.

Fig. la-3a visar svepelektronmikroskop(SEM)mikrofoton vid hög förstoring i toppvyprojektioner. I Fig la visas ett Al2O3-skikt enligt föreliggande uppfinning och i Fig. 2a ett tidigare känt K- A12o3-skikt. I Fig.

Al2O3+TiN-beläggning. 3a visas en tidigare känd multiskikt K- Fig. lc, 2b och 3b visar svepelektronmikroskop(SEM)mikrofoton i så kallad backscattermod vid hög förstoring av polerade tvär- snitt. I Fig. lc visas ett Al2O3-skikt med ett Si-rikt skikt, A, enligt föreliggande uppfinning, i Fig. 2b ett tidigare känt K- Al2O3-skikt och i Fig. 3b en tidigare känd multiskikt K-Al2O3+TiN beläggning. Fig. lb och i Fig. 4 visar SEM-mikrofoton av tvärsnitt av prov enligt föreliggande uppfinning. Överraskande det har visat sig att ett icke-kolumnärt, fin- kornigt, likaxligt K-Al2O3-skikt kan utfällas genom att upprepade gånger introducera en kontrollerad mängd av en kiselhalid, före- trädesvis SiCl4, under en Al2O3-beläggningsprocess.

Varaktigheten av behandlingsperioderna såväl som kiselhalid- koncentrationen är viktiga parametrar, som måste optimeras för att erhålla det önskade resultatet. Om kiselhalidkoncentrationen är alltför låg eller/och behandlingstiden är alltför kort, blir nykärnbildningen av Al2O3-skiktet inte tillräckligt tät för att täcka en tillräcklig del av hela beläggningsytan. Om, à andra si- dan, kiselhalidkoncentrationen är alltför hög och/eller behand- lingstiden alltför lång, blir kohesionen mellan kornen alltför svag vilket resulterar i ett skikt av låg kvalitet. 10 15 20 25 30 35 40 sz; vas Metoden enligt föreliggande uppfinning avser alltså belägg- ning av en kropp med ett K-Al2O3-skikt under vilken kroppen bringas i kontakt med en vätebärargas innehållande en eller flera halider av aluminium, företrädesvis AlCl3, och en hydrolyserande och/eller oxiderande agent, företrädesvis C02, vid en temperatur av kroppen mellan 800 och 1050 OC. Under Al2O3-tillväxten till- sättes en kiselhalid, företrädesvis SiCl4, till reaktionsbland- ningen med l-5 minuters intervall i en koncentration av 20-50 % av AlCl3-flödet. Detta förfarande utförs upprepade gånger för att erhålla en finkornig K-Al2O3-skiktstruktur med den önskade kornstorleken.

I kontrast till de kolumnära kornen i tidigare kända Al2O3- skikt, är kornen i K-Al2O3-skikt enligt föreliggande uppfinning väsentligen likaxliga. Den resulterande kornstorleken och fördel- ningen av densamma är beroende på antalet SiCl4-behandlingar som utförs. Ju oftare Al2O3-processen utsätts för SiCl4-behandlingar, ju mindre blir Al2O3-kornen. Upp till 200 SiCl4-behandlingar är möjligt att utföra men vanligen föredras mindre än 100 behand- lingar. Introduktionen av SiCl4 påbörjar en tillväxt av ett super- finkornigt skikt omfattande Al, Si och O i koncentrationer som är beroende på det använda AlCl3/SiCl4-flödesförhållandet_ När SiCl4- flödet avbryts, kommer nykärnbildning av K-Al2O3-korn att äga rum.

Fördelen med den uppfunna metoden är att endast ett främmande element (Si) tillsättes under Al2O3-processen för att skapa korn- förfiningen, detta i kontrast till tidigare kända tekniker vilka använder nykärnbildningskikt bestående av TiN eller (TiX,Aly)(Cz,Ow,Nj) som är ett helt annat material än Al2O3.

Den resulterande kornstorleken för K-Al2O3-skiktet bestäms från ett SEM-mikrofoto vid hög förstoring taget från tvärsnitt.

Mera speciellt omfattar den belagda kroppen ett skärverktyg med ett substrat av hårdmetall, cermet eller keramik och en be- läggning bestående av ett hårt slitstarkt material och i sagda be- läggning åtminstone ett skikt väsentligen en enkelfasig finkornig K-Al2O3 med en tjocklek av 0,5-25 pm och med en kornstorlek av mindre än 0,5 pm. Det finkorniga K-Al2O3-skiktet omfattar åtmins- tone ett subskikt med en tjocklek mellan 0,02 och 3 um innehål- lande Al, Si och O. Si-koncentrationen är i området 4-34 at%, Al- koncentrationen i området O-37 at% och O-koncentrationen i området 60-67 at%. De andra skikten i beläggningsstrukturen kan vara a- Al2O3, tidigare känd grovkornig K-Al2O3 (0,5-3,5 um), ZrO2, TiC el- 10 U 20 25 30 35 40 522 vag ler besläktad karbid, nitrid, karbonitrid, oxykarbid och oxykarbo- nitrid av en metall vald från grupperna IVB, VB och VIB i det pe- riodiska systemet, elementen B, Al och Si och/eller blandningar därav. Sådana andra skikt kan utfällas med CVD, PACVD (Plasma CVD), PVD (Fysisk Ångavsättning) eller MT-CVD (Medeltemperatur- CVD). Åtminstone ett av sådana andra skikt är i kontakt med sub- stratet. Den totala tjockleken för beläggningen på skärverktyget kan variera mellan l och 30 um.

Aluminium, kisel och syre kan existera tillsammans i några mineral såsom andalusit, silliminit, (Al6Si4O13). i US Patent 5,763,008, en gasblandning av AlCl3, SiCl4, C02 och H2 kayanit och mullit En metod att utfälla mullitbeläggningar med CVD visas används. Föreliggande uppfinning använder samma kemiska föreningar men en svavelförening tillsättes för att bilda och styra tillväx- ten av nämnda subskikt innehållande kisel. Under de uppfunna pro- cessbetingelserna har ingen mullit observerats.

Exempel A) Hårdmetallskär av typ CNMG 120408-PM med sammansättningen 7,5 vikt-% Co, 1,8 % vikt% TiC, 0,5 vikt% TiN, 3 Vikt% TaC, 0,4 vikt% NbC och rest WC belades med ett l um tjockt skikt av TiN med användning av konventionell CVD-teknik följt av ett 6 um TiCN- skikt med MTCVD-teknik med användning av TiCl4, H2, N2 och CH3CN som processgaser. I följande processteg under samma beläggnings- cykel utfälldes ett 0,5 pm TiCxNyOZ-skikt med en ungefärlig sam- mansättning motsvarande x=O,5, y=O,3 och z=O,2 följt av ett 6 pm tjockt skikt av K-Al2O3 utfällt enligt den uppfunna beläggnings- processen. Före kärnbildningen av Al2O3 sattes oxidationspotentia- len för bärargasen H2 (enda gas närvarande i reaktorn) d v s vat- tenångkoncentrationen, uttryckligen till en låg nivå, mindre än 5 ppm. Sedan startades Al2O3-processen. Processbetingelserna under Al2O3-beläggning var enligt nedan: steg 1 2 3 4 co2= 4% 4% 4% 4% AlCl3: 4% 4% 4% 4% H28 - 0,15 O,2% O,2% HCl l,5% 5% 5% 5% H2 rest rest rest rest N U 20 25 30 35 522 735 6 Tryck: 60 mbar 60 mbar 60 mbar 60 mbar Temperatur: 1OOOOC IOOOOC lOOOOC l0O0OC Tid: 30 min 20 min 22 min 2 min 3 och 4 och därefter upprepning av steg 4 och steg 3 åtta gånger. Således behandlades Al2O3-skiktet utfälldes genom steg 1, 2, Al2O3-processen med SiCl4 totalt nio gånger.

Röntgendiffraktionsanalys av det utfällda Al2O3-skiktet vi- sade att det bestod väsentligen av kappafas. Inga toppar från mul- lit-fas (Al5Si4O13) kunde upptäckas.

Från SEM-mikrofoton tagna från ett polerat tvärsnitt av pro- vet, liknande Fig lc, var det möjligt att observera nio Al2O3- skikt med en tjocklek av ungefär 0,5 um och nio ytterst finkorniga skikt motsvarande SiCl4-behandlingen steg 4 med en tjocklek av un- gefär O,l5 um. Kornstorleken uppskattades från en brottyta vid 70 000 gånger förstoring till 0,5 pm för Al2O3-skikten och mindre än 0,1 pm för de Si-haltiga skikten. Skären verkade mångfärgade beroende på interferens i den transparenta skiktstrukturen. Be- läggningens ytor var mycket jämna.

En kemisk analys av de tunna subskikten utfördes på ett tvär- snitt i en Hitachi S-4300 FEG-SEM utrustad med ett EDS-system med en LINK Si(Li)-detektor. Analysen resulterade i följande uppskat- tade koncentrationer Al= 32 at%, Si= 8 at% och O=60 at%.

B) Hårdmetallskär av typ CNMG 120408-PM med samma sammansätt- ning som i A) belades med ett 1 um tjockt skikt av TiN med använd- ning av konventionell CVD-teknik följt av ett 6 pm TiCN-skikt med MTCVD-teknik med användning av TiCl4, H2, N2 och CH3CN som pro- cessgaser. I följande processteg under samma beläggningscykel, ut- fälldes ett 0,5 pm TiCxNYOz-skikt med en ungefärlig sammansättning motsvarande x=0,5, y=0,3 och z=O,2 följt av ett 6 um tjockt skikt av K-A12O3 utfällt enligt den uppfunna beläggningsprocessen. Före kärnbildningen av Al2O3 sattes oxidationspotentialen för bärarga- sen H2 (enda gas närvarande i reaktorn) d v s vattenångkoncentra- tionen, uttryckligen till en låg nivå, mindre än 5 ppm.

Därefter startades det första Al2O3-skiktsteget 1. Processbe- tingelserna under Al2O3-beläggning var enligt nedan: N ß 20 25 30 522 735 7 Steg 2 3 C02: 4% 4% 4% AlCl3: 4% 4% Hzs - o,2% o,2% HCl l,5% 5% 5% H2 rest rest rest sic14 - - 2 % Tryck: 60 mbar 60 mbar 60 mbar Temperatur: 1000 OC 1000 OC 1000 OC Tid: 30 min 5 min 1,5 min Al2O3-skiktet utfälldes genom steg l, 2 och 3 och sedan upp- repning av steg 3 och steg 2 totalt 35 gånger. Därför behandlades Al2O3-processen med SiCl4 totalt 36 gånger.

Röntgendiffraktionsanalys av det utfällda Al2O3-skiktet vi- sade att det bestod väsentligen av kappafas. Inga diffraktionstop- par från mullitfas (Al6Si4O13) kunde upptäckas.

Från ett SBM-mikrofoto av ett tvärsnitt vid en förstoring av 70 000 gånger uppskattades kornstorleken till 0,13 pm för Al2O3- skiktet och till mindre än 0,04 pm för skikten motsvarande SiCl4- behandlingen steg 3. Skären verkade violett/gröna i färg och hade ytterst jämna beläggningsytor.

C) Hàrdmetallsubstratet från A) belades med TiCN (5 pm), ett 0,5 pm TiCXNyOz-skikt och 6 pm Al2O3 enligt A) förutom att Al2O3- processen utfördes enligt känd teknik d v s, endast steg l och 2 som beskrivits under A) och processtiden för steg 2 var 290 min.

Detta resulterade i ett Al2O3-skikt bestående väsentligen av K- Al2O3-fas med en medelkornstorlek av omkring 2 pm med en korn- struktur liknande den i Fig 2a.

D) Hårdmetallsubstratet från A) belades med TiCN (5 pm), ett 0,5 pm TiCXNyOz-skikt och en 6 pm multiskikt Al2O3/TiN-beläggning enligt nedan: W ß 20 25 30 35 40 522 735 8 Steg l 2 3 4 C02 4% 4% 0% 4% AlCl3 4% 4% 0% 4% Hzs - o,2% 0% o,2% HCl l,5% 5% 0% 5% H2 rest rest rest rest TiC14 - - 2% N2 40% Tryck: 60 mbar 60 mbar 60 mbar 60 mbar Temperatur: lO00OC l0OO°C l0O0OC IOOOOC Tid: 30 min 20 min 3 min 20 min Al2O3-skiktet utfälldes genom stegen 1, 2, 3 och 4 och däref- ter upprepning av steg 4 och steg 3 nio gånger. Därför avbröts Al2O3-processen tio gånger av en TiN-process.

Detta resulterade i en multiskiktbeläggning bestående av elva skikt av Al2O3 och tio tunna skikt av TiN. Al2O3-skiktet bestämdes till att bestå av väsentligen kappafas. och D) lindrisk nylonborste innehållande SiC-korn.

Några av skären från A), B), C) borstades med en cy- B), C) och D) sedan med avseende på egglinje- och spånsideflagning i två slags Borstade och oborstade skär från A), provades arbetsstyckematerial under olika skärbetingelser.

Skäroperation 1: En planingsoperation i nodulärt gjutjärn (AISI 60-40-18, LARM CGC40). stycket var sådan att skäreggen var ur ingrepp två gånger per varv Formen på det bearbetade arbets- av arbetsstycket.

Skärdata: Hastighet = 160 m/min Matning = 0,1 mm/varv Skärdjup = 2,0 mm Skären kördes ett ingrepp över ytan av arbetsstycket. Detta prov är mycket avgörande och krävande vid bearbetning av nodulärt gjutjärn.

Procenttalet av egglinjen i ingrepp som erhållit flagning re- gistrerades för varje skär som provades såväl som i vilken ut- N U 20 25 30 35 40 522 73% sträckning flagning uppstått på spånsidan av skäret. Resultatet är uttryckt i tabell l nedan som ett medelvärde av fyra skär (fyra eggar).

Skäroperation 2: En planingsoperation i ett legerat stål (AISI l5l8,W-no l.O580). skäreggen var ur ingrepp tre gånger per varv.

Formen av arbetsstycket var sådan att Skärdata: Hastighet: 130-220 m/min Matning: 0,2 mm/varv Skärdjup: 2,0 mm Fem skär (eggar) kördes ett ingrepp över arbetsstycket. Re- sultaten i tabell 2 är uttryckta som procenttal av egglinjen i in- grepp som fått flagning av beläggningen.

Tabell 1 Skäroperation 1.

Variant Egglinje flagning A oborstat (enligt uppfinningen) 5 % A borstat (enligt uppfinningen) 0 % B oborstat (enligt uppfinningen) O % B borstat (enligt uppfinningen) 0 % C oborstat (tidigare känd) 65 % C borstat (tidigare känd) 5 % D oborstat (tidigare känd) 30 % D borstat (tidigare känd) 0 % Tabell 2 Skäroperation 2 Variant Egglinje Spånsideflagning flagning A borstat (enligt uppfinningen) 5 % Endast fläckvis Al2O3-flagning B borstat (enligt uppfinningen) 3 % Endast fläckvis Al2O3-flagning C borstat (tidigare känd) 90 % Svår Al2O3-flagning D borstat (tidigare känd) 70 % Flagning av Al2O3 och stegvis mellan TiN- och Al2O3-skikten 522 7350 Resultaten från tabell 1 visar att oborstade beläggningar en- ligt föreliggande uppfinning fungerar lika bra som borstade skär i legerade stål och resultaten i tabell 2 visar att skären enligt uppfinningen även arbetar överraskande väl i nodulärt gjutjärn och avsevärt bättre än tidigare kända skär.

Claims (4)

N U 20 25 5.22 735 u KRAV

1. l. Skärverktyg omfattande en kropp av sintrad hårdmetall,, ~ cermet eller keramik och för vilket åtminstone på de verksammašde- larna av ytan av kroppen, en hård och slitstark beläggning är ut- fälld med en CVD-metod k ä n n e t e c k n a t av att beläggningen- omfattar en struktur av ett eller flera refraktära skikt av vilka åtminstone ett skikt väsentligen består av likaxlig, finkornig K- Al2O3 med en tjocklek av 0,5-25 pm och med en kornstorlek av mindre än 0,5 um, varvid det finkorniga K-Al2O3-skiktet omfattašw åtminstone ett subskikt med en tjocklek mellan 0,02 och 3 pm inne- hållande Al, Si och O med en Si-halt av 4-34 at%, en Al-halt av O- 37 at% och en O-halt av 60-67 at% varvid beläggningen utfälls ge- nom att kroppen bringas i kontakt med en vätebärargas innehållande en eller flera halider av aluminium, företrädesvis AlCl3, och en hydrolyserande och/eller oxiderande agent, företrädesvis C02, vid 800-1050 OC och en svavelagent, företrädesvis H28, tillsättes till reaktionsblandningen för att förbättra tillväxthastigheten och ge- nom att dessutom periodiskt introducera en kiselhalid, företrädes- vis SiCl4.

2. Skärverktyg enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t av att den finkorniga K-Al2O3 är i kontakt med ett TiCXNyOz-skikt.

3. Skärverktyg enligt krav l k ä n n e t e c k n a t av att den finkorniga K-Al2O3 är i kontakt med ett a-Al2O3-skikt.

4. Skärverktyg enligt något av föregående krav k ä n n e t e c k n a t av att det finkorniga K-Al2O3-skiktet har 1-200 subskikt innehållande Al, Si och O, företrädesvis mindre än 100 skikt. fiviu